子午儀

GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)(Transit)，1958年研制，64年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗，并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性，為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。

為此，美國海軍研究實驗室(NRL)提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000km高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這是GPS系統(tǒng)精確定位的基礎。而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼(PRN)為基礎傳播衛(wèi)星測距信號，其強大的功能，當信號密度低于環(huán)境噪聲的1%時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個重要基礎。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態(tài)服務，然而系統(tǒng)過于復雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導航定位聯(lián)合計劃局(JPO)領導，還將辦事機構(gòu)設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。

GPS系統(tǒng)的前身為美軍研制的一種子午儀衛(wèi)星定位系統(tǒng)，1958年研制，1964年正式投入使用。該系統(tǒng)用5到6顆衛(wèi)星組成的星網(wǎng)工作，每天最多繞過地球13次，并且無法給出高度信息，在定位精度方面也不盡如人意。然而，子午儀系統(tǒng)使得研發(fā)部門對衛(wèi)星定位取得了初步的經(jīng)驗， 并驗證了由衛(wèi)星系統(tǒng)進行定位的可行性，為GPS系統(tǒng)的研制埋下了鋪墊。由于衛(wèi)星定位顯示出在導航方面的巨大優(yōu)越性及子午儀系統(tǒng)存在對潛艇和艦船導航方面的巨大缺陷。美國海陸空三軍及民用部門都感到迫切需要一種新的衛(wèi)星導航系統(tǒng)。為此，美國海軍研究實驗室提出了名為Tinmation的用12到18顆衛(wèi)星組成10000公里高度的全球定位網(wǎng)計劃，并于67年、69年和74年各發(fā)射了一顆試驗衛(wèi)星，在這些衛(wèi)星上初步試驗了原子鐘計時系統(tǒng)，這是GPS系統(tǒng)精確定位的基礎。

而美國空軍則提出了621-B的以每星群4到5顆衛(wèi)星組成3至4個星群的計劃，這些衛(wèi)星中除1顆采用同步軌道外其余的都使用周期為24h的傾斜軌道 該計劃以偽隨機碼（PRN）為基礎傳播衛(wèi)星測距信號，其強大的功能，當信號密度低于環(huán)境噪聲的１％時也能將其檢測出來。偽隨機碼的成功運用是GPS系統(tǒng)得以取得成功的一個重要基礎。海軍的計劃主要用于為艦船提供低動態(tài)的2維定位，空軍的計劃能供提供高動態(tài)服務，然而系統(tǒng)過于復雜。由于同時研制兩個系統(tǒng)會造成巨大的費用，而且這里兩個計劃都是為了提供全球定位而設計的，所以1973年美國國防部將2者合二為一，并由國防部牽頭的衛(wèi)星導航定位聯(lián)合計劃局（JPO）領導，還將辦事機構(gòu)設立在洛杉磯的空軍航天處。該機構(gòu)成員眾多，包括美國陸軍、海軍、海軍陸戰(zhàn)隊、交通部、國防制圖局、北約和澳大利亞的代表。

最初的GPS計劃在聯(lián)合計劃局的領導下誕生了，該方案將24個衛(wèi)星放置在互成120度的六個軌道上。每個軌道上有4個衛(wèi)星，地球上任何一點均能觀測到6至9個衛(wèi)星。這樣，粗碼精度可達100m，精碼精度為10m。 由于預算緊縮，GPS計劃得減少發(fā)射衛(wèi)星，改為將18個衛(wèi)星分布在互成60度的6個軌道上。然而這一方案不能確保衛(wèi)星可靠性。1988年又進行了最后一次修改：在互成30度的6條軌道上有21個運作衛(wèi)星和3個備份衛(wèi)星。這也是現(xiàn)在GPS衛(wèi)星所使用的工作方式。

GPS計劃的實施共分三個階段：

第一階段為方案論證和初步設計階段。

從1978年到1979年， 由位于加利福尼亞的范登堡空軍基地采用雙子座火箭發(fā)射4顆試驗衛(wèi)星，衛(wèi)星運行軌道長半軸為26560km，傾角64度。軌道高度20000km。這一階段主要研制了地面接收機及建立地面跟蹤網(wǎng)，結(jié)果令人滿意。

第二階段為全面研制和試驗階段。

從1979年到1984年，又陸續(xù)發(fā)射了7顆稱為BLOCK I的試驗衛(wèi)星，研制了各種用途的接收機。實驗表明，GPS定位精度遠遠超過設計標準，利用粗碼定位，其精度就可達14米。

第三階段為實用組網(wǎng)階段。

1989年2月4日第一顆GPS工作衛(wèi)星發(fā)射成功，這一階段的衛(wèi)星稱為BLOCK II 和 BLOCK IIA。此階段宣告GPS系統(tǒng)進入工程建設狀態(tài)。1993年底使用的GPS網(wǎng)即（21+3）GPS星座已經(jīng)建成，今后將根據(jù)計劃更換失效的衛(wèi)星。

60年代初,美國在子午儀等衛(wèi)星上采用了雙頻測速作為衛(wèi)星定軌的主要手段( 400 MHz和150 MHz,頻率比為8∶ 3)。采用雙頻是為了消除電離層對超短波傳輸?shù)挠绊憽Ｔ诓捎秒p頻測速的同時就實現(xiàn)了遙測射頻與雙頻信標的結(jié)合,星上遙測發(fā)射機亦是雙頻發(fā)射機,地面遙測接收機兼顧雙頻接收。這就大大簡化了星上設備和地面設備,而且減少了射頻的頻率數(shù)目,更有利于衛(wèi)星電磁兼容性。航天任務的迅速發(fā)展促使衛(wèi)星測控迅速發(fā)展。美國在60年代后期,研制了阿波羅統(tǒng)一測控系統(tǒng)和戈達德統(tǒng)一S波段測控系統(tǒng),完成了登月飛船及深空探測任務;在70年代,歐洲也發(fā)展和采用了統(tǒng)一S波段測控系統(tǒng)。

我國在70年代初處于混亂的狀態(tài),缺乏統(tǒng)一的考慮,只能按照衛(wèi)星任務的需要,服從當時已有的分工體制來發(fā)展我國的衛(wèi)星測控。為中低軌道衛(wèi)星(包括返回衛(wèi)星)分別研制超短波遙測、超短波遙控、雙頻跟蹤測軌、雷達跟蹤測軌,致使星上天線數(shù)目增多,電磁兼容性問題復雜,使每一地面站都增加設備和人員。另外,還為靜止軌道通信衛(wèi)星研制了統(tǒng)一C波段測控系統(tǒng)。由于受到當時封閉的國際環(huán)境和技術(shù)的限制,測控的上行頻率采用4. 7 G Hz。這既不同于通信信道的上行頻率,也與國際上采用的通信衛(wèi)星測控頻率不一致,這就是"國內(nèi)C波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)"。此系統(tǒng)用于我國80年代中期發(fā)射的通信衛(wèi)星。在90年代,我國發(fā)展了與國際接軌的"國際C波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)"和" S波段統(tǒng)一測控系統(tǒng)"。對于中低軌道衛(wèi)星,直到80年代中期還發(fā)展了超短波測控系統(tǒng)( 847工程) ,它僅僅是將雙頻測速和遙測射頻合并(此系統(tǒng)即將停止使用)。自此,真正實現(xiàn)了衛(wèi)星的射頻綜合。